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Vidéo de question : Identifier l’hybridation des atomes de carbone dans une feuille de graphène Chimie

En considérant la forme des unités qui constituent la macromolécule représentée sur ce schéma, quelle est l’hybridation des atomes de carbone du graphène ? [A] sp³d² [B] sp² [C] sp³d [D] sp³ [E] sp

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Transcription de vidéo

En considérant la forme des unités qui constituent la macromolécule représentée sur ce schéma, quelle est l’hybridation des atomes de carbone du graphène ? (A) sp3d2, (B) sp2, (C) sp3d, (D) sp3 ou (E) sp.

L’hybridation, ou plus précisément l’hybridation orbitale, est le mélange des orbitales atomiques formant de nouveaux et différents types d’orbitales hybrides, où les orbitales atomiques sont des fonctions mathématiques qui décrivent l’emplacement et le comportement ondulatoire d’un électron dans un atome. L’orbitale atomique la plus simple et avec d’énergie la plus basse est l’orbitale atomique 1s. Elle est suivie des orbitales atomiques 2s et 2p. Ainsi, ces orbitales atomiques peuvent être mélangées ou s’hybridées pour former de nouvelles orbitales hybrides. D’autres orbitales atomiques, comme les orbitales d ou f, peuvent également participer à une hybridation. Mais pour plus de simplicité, nous nous concentrerons sur les orbitales s et p.

Étudions un exemple d’hybridation mettant en jeu le carbone. Les atomes de carbone possèdent quatre électrons dans leur couche externe. Deux de ces électrons se trouvent dans une orbitale 2s, et les deux autres électrons dans les orbitales 2p. Le processus d’hybridation se produit lorsque l’un des électrons de la sous-couche 2s de l’atome de carbone impliqué dans une liaison est promu ou excité dans une orbitale atomique 2pz vacante. L’atome de carbone engagé dans une liaison a alors quatre électrons non appariés dans quatre orbitales différentes qui peuvent fusionner et former quatre orbitales liantes hybrides de type sp3. Comme ce type d’hybridation met en jeu l’orbitale 1s et 3 orbitales p, on l’appelle hybridation sp3.

Les orbitales sp3 ont une forme tétraédrique. Ce type d’hybridation se produit pour les atomes de carbone des molécules telles que le méthane, de forme tétraédrique. La macromolécule représentée sur la figure ne présente pas ce genre de forme tétraédrique. On suppose donc qu’elle subit un type d’hybridation différent. Par conséquent, on peut éliminer la réponse (D) sp3.

La question se réfère aux atomes de carbone, dont les électrons se trouvent uniquement dans les orbitales s et p. Dans le cas de la réponse (A) et de la réponse (C), les orbitales d sont impliquées dans l’hybridation. Puisque les atomes de carbone n’ont pas d’électrons dans les orbitales d, on peut donc également exclure les propositions (A) et (C).

Examiner la forme et les propriétés du graphène devrait nous aider à comprendre l’hybridation des atomes de carbone. Le graphène a une structure similaire à celle de cette macromolécule. Dans les deux cas il n’y a qu’une couche d’atomes, mais la structure du graphène s’étend plus loin que celle de la molécule. Le graphène est entièrement composé d’atomes de carbone, mais chacun d’entre eux n’est lié qu’à trois autres atomes de carbone, alors que dans les molécules telles que le méthane, le carbone forme quatre liaisons. Ainsi, dans le graphène, seuls trois des quatre électrons de valence sont impliqués dans l’hybridation.

Dans le cas de l’hybridation des atomes de carbone du graphène, les électrons se trouvent à l’état initial sur les mêmes orbitales que dans l’hybridation des atomes de carbone des molécules telles que le méthane. Un électron de l’orbitale 2s est promu dans une orbitale 2p, tout comme dans l’hybridation sp3. Mais au lieu d’impliquer 4 électrons dans l’hybridation, ici seuls trois d’entre eux le sont. L’électron de l’orbitale 2pz reste dans l’orbitale 2pz. Les orbitales hybrides sont formées à partir des électrons des orbitales 1s et 2p. Il s’agit donc d’une l’hybridation sp2. Ainsi, les atomes de carbone du graphène se lient les uns aux autres via des orbitales hybrides sp2.

Les orbitales pz ne sont pas impliquées dans la liaison, mais il existe des interactions entre elles qui permettent aux électrons de se déplacer. C’est le mouvement des électrons à partir des orbitales pz qui confère au graphène ses propriétés conductrices. Nous savons donc maintenant que les atomes de carbone du graphène sont hybridés sp2. Ainsi, la proposition (B) sp2 est la bonne réponse.

Le type d’hybridation mentionné dans la réponse (E) sp se produit dans des molécules telles que l’éthyne ou l’acétylène, où les atomes de carbone sont liés à seulement deux autres atomes. L’hybridation sp n’est pas le type d’hybridation des atomes de carbone du graphène. Donc, la réponse à la question « Quelle est l’hybridation des atomes de carbone du graphène ? » est (B) sp2.

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